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一根零线连烧两次,没想到零线电流比火线还要大?

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来源:头条号 电工学院 版权归原作者所有,侵权请联系删除 引子 在低压配电系统中,正常时零线比火线电流要小。这是因为当三相负荷用电平衡时,三相电流完全抵消,此时零线电流为零;但是当三相负荷用电不平衡时,三相电流无法完全抵消,那么不平衡的电流就会通过零线回到变压器。 在三相四线配电系统中,零线的电流一般比火线要小,这是所有业内人士的共识。但是,越来越多的事实却让人们在颠覆这个观念。

来源:头条号 电工学院

版权归原作者所有,侵权请联系删除


引子


在低压配电系统中,正常时零线比火线电流要小。这是因为当三相负荷用电平衡时,三相电流完全抵消,此时零线电流为零;但是当三相负荷用电不平衡时,三相电流无法完全抵消,那么不平衡的电流就会通过零线回到变压器。


在三相四线配电系统中,零线的电流一般比火线要小,这是所有业内人士的共识。但是,越来越多的事实却让人们在颠覆这个观念。


案例


有一天正在上课,有个学生打电话过来咨询我一个问题。


他前段时间接了一栋大厦的墙体广告线路安装,大厦四周的广告灯箱全都采用荧光灯照明,将近有1200支左右。


广告灯箱的电源是采用四根电线(3根25平方和1根16平方)从配电箱引来,1200支荧光灯都平均分配在三相线路中。


接好以后,通电试验正常,验收通过。但是用了一段时间,发现零线烧断了。当时以为零线选的过小,然后重新换了一根25平方的。就这样好了一段时间,没过多久,零线又烧掉了。


客户很不满意,如果再解决不好这个问题,可能尾款都拿不到。

我一边安抚他的情绪,一边思考,根据我多年的经验,这种情况最有可能是因为谐波的原因而导致零线电流过大。


我叫他测一下每条电线的电流,最后用钳表一测,简直惊呆了!


三相火线电流每相都差不多是90A,但是零线电流却达到惊人的158A。


实际上,零线电流过大的现象现在越来越普遍。为什么三相电的负荷平衡,零线上却还是会出现电流,并且电流达到相线电流的150%以上呢?


这是因为谐波的原因导致的。


谐波


我们都知道我们现在用的交流电是50HZ频率的正弦交流电。


正弦交流电波形图如下:

e56e4060f8144755a6e05ec88637f2a2.jpg

正弦交流电


当正弦交流电里参杂了频率更高的杂波,把这个叫做谐波


参杂了谐波的图形如下:

d5c5507329714bfca5a063b25d6844dc.jpg

参杂了谐波的正弦交流电波形图


上图中,红色为我们正常的正弦交流电波形图,其中绿色和蓝色是谐波的波形图。


谐波的产生


谐波主要是由非线性负载产生,例如:UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等。


当三相交流电的电流波形为正弦波时,它们相差120°,并且幅度相同,在零线上矢量叠加的结果是总和为零。


但是如果相线上的电流是脉冲状的,并且相差120°。那么他们在中线上叠加起来的脉冲却是相互错开的,所以无法抵消,和零线的电流却是叠加的。


由于现代电气设备大多数含有整流电路,因此即使三相负荷平衡,零线上也会有较大的电流。


零线电流过大的危害十分严重,主要是因为两个方面的原因,

第一,零线的截面积并不比相线大,超过相线的电流必然会导致零线过热而烧断;


第二,当零线断线以后,由于三相不完全平衡,那么会造成各相电压不一致,三相设备无法正常工作。用电少的一相电压会升高;而用电多的一相电压会降低。电压升高的一相上的单相设备会损坏;电压降低的一相上的单设备无法正常工作


谐波的危害


1 . 对于发电机和变压器而言,谐波的存在会增加定子绕组、定子铁心、转子绕组、转子铁芯的损耗,还会引起变压器铁芯发热,从而加速绝缘老化、降低电气设备的使用寿命。


2 . 当三相平衡时,由于有些谐波不对称,那么不能完全抵消。当线路中存在大量谐波时,它们因串联或并联构成谐振条件,形成谐波振荡,会让电压升高或者电流变大,严重影响电力系统的安全运行。(上述案例就是一个很好的例子)


3 . 电网中因有谐波的存在,会影响测量仪表、计量装置的精确度;还会降低断路器的分断能力,可能会引起电弧重燃,发生短路,甚至爆炸事故。


抑制和消除谐波的方法


1 . 采用 LC调谐滤波器,这种方法不仅可以抑制谐波,还可以补偿无功功率。


2 . 采用零线电流阻断器。把它串联在零线中,可以有效的减少零线大部分谐波电流。

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  • 事儿就这样成了
    事儿就这样成了 2020年02月07日 13:10:49 2楼

    学习了,感谢分享

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  • yan-800
    yan-800 2020年02月07日 13:41:10 3楼

    看来零线问题也是广大电气者的注意问题。

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  • dianqipanli
    dianqipanli 2020年02月07日 16:33:52 4楼

    开关电源越来越多,现在已经很普遍了。

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  • 风平浪静02
    风平浪静02 2020年02月08日 16:23:47 5楼

    此帖作为某厂商广告帖也就罢了,但是一些不符合电学原理的论说,还是需要纠正的,免得以讹传讹误导后学。

    第一,1200支荧光灯都平均 分配在三相线路中,说明三相负荷是基本平衡的,中性线电流不大。

    第二,谐波分量中只有3次谐波及其整数倍分量在中性线上是叠加的,其它谐波分量还是以同一时刻代数和形式叠加,负荷是对称的,其中性线电流接近于零。

    第三,在三相对称负荷下,如果三次波分量是基波的二分之一(也就是总电流的三分之一)。才可能出现中性线电流与相线电流相等情况。那么这个时候总电流会出现二分之一周期内电流过零现象。这中现象,在正弦交流电中是不存在的。因为这种现象会使频率改变,是不可能的。所以,在对称负荷情况下,谐波使得中性线电流大于相线电流情况基本不存在。

    第四,正弦交流电是一种以原点为对称的图像,不可能存在偶次谐波分量的。因为偶次波和基波叠加,使得波形偏离以原点为原点为对称,也就是说图中绿色波形是不存在的。蓝色波在中性线里叠加还是等于零。

    第五,三芯柱变压器,零序磁通是不可以流通的。大的零序磁通阻抗会制约中性线电流增长,中性线电流过大,使得电源中性点位移,相电压变化,中性线电流减少。

    第六,L C滤波器,原理是采用电感电容串联、并联谐振,短接某一次频率的谐波,不能抑制谐波的发生。更谈不上补偿无功了。

    第七,不存在什么零线电流阻断器,即使增加三次谐波阻抗,也会使电源中性点位移,导致负荷过电压。

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  • 老有所为
    老有所为 2020年02月09日 18:07:33 6楼

    受益匪浅,楼主辛苦了。谢谢分享。

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  • kopen
    kopen 2020年02月10日 05:55:27 7楼
    学习了,十分感谢分享
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    来自土木在线APP

  • zaq3384277
    zaq3384277 2020年02月13日 10:32:43 8楼

    学习了,看来零线问题也是广大电气者的注意问题。

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  • 风平浪静02
    风平浪静02 2020年02月13日 13:17:46 9楼

    三相对称负荷中性线中基波等于零,中性线中除3次波及3次波奇数倍谐波外其它次谐波等于零。我们看一下3次波对中性线影响;

    360截图1672033085113120.png

    中性线中的3次波电流有效值如果是158A,则相线中3次谐波电流有效值是;158÷3=52.7A;

    相线中基波电流有效值 I=90-52.7=37.3A,

    在(1/4)T时,基波电流最大值为√2*37.3A,3次谐波电流最大值为-√2*52.7A,

    此时合成波形电流最大值=√2*37.3 (-√2*52.7A)=-√2*15.4A,电流过零。这样不单是,波形畸变了,而是频率改变了,这种情况是不存在的。即使在小一些3次谐波,也可能导致电流波形中间塌陷,一般很少见的,最多是平顶波或者是尖顶波罢了。一种负荷能够改变电流频率,想都不能想。所以,很少可能中性线电流大于最大相线电流的。考虑有中性线借用,有其它负荷电流经过本电流中性线。不要谈谐色变,都归罪于谐波。毕竟谐波电流是可控,可治的。


    关于偶次谐波电流,从图形上看是偏离原点对此,比如下面锯齿波;

    360截图184701258412885.png

    从物理量分析,就是每一时刻流进流出电流和不为零了,这是违背电学原理的。所以,交流电路中是不含有偶次谐波的。


    因为电流波形的畸变,电流最大值等于根号2倍有效值已经不成立 Imax≠√2I ,可能大于√2I,也可能小于√2I 。

    但是,有效值和平均值的关系还是不变的。可能谐波电流对测量仪表的误差会有影响,可能是正误差,也可能是负误差。

    谐波电流导致电气过热,损耗加大。也不是指热继电器的双金属片,热量大增,短短的双金属片,趋肤效应有限。而是指对电流频率敏感的电磁感应元件,中涡流损耗,等等。所以,谐波使得双金属片过流保护误动作,一般不太可能。

    中性线电流可以抵消,但是发热是不可以抵消的。相线过热,不可能分给中性线的。中性线截面积小,电阻就大,电流虽小,发热量还是增大的。



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  • jianghe1508
    jianghe1508 2020年02月14日 09:18:27 10楼

    学习了,感谢分享

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  • 风平浪静02
    风平浪静02 2020年02月14日 10:50:11 11楼

    如果三相原来就不对称。比如,只有两相负荷(单相),则中性线电流是两相电流的向量和,基波上应该是和相电流同样大。如果有少量的三次谐波,可能大于相电流。这样可以中性线电流减去相电流,剩下的就是3次谐波电流。相电流减去3次谐波电流就是基波电流,在采用(1/4)T时,叠加法计算是不是有负电流现象。不可能出线负电流的。系统中有3次谐波电流分量,但不是很大,一般不超过30%。主要还是看三相对称与否。

    所以,现在供电企业总是千方百计想采用高压侧计量,因为这部分电流引起变压器损耗增加,低压侧是计量不进去的。

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